摘  要： 分析了按需路由協(xié)議AODV的基本原理，針對AODV僅維護單一路由及不考慮節(jié)點能耗的不足，提出了一種基于穩(wěn)定性的AODV優(yōu)化思想。通過NS2仿真實驗表明，優(yōu)化后的AODV路由協(xié)議在分組投遞率、端到端平均時延及網(wǎng)絡(luò)生存時間等方面的性能優(yōu)于原協(xié)議，更適用于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)快速變化的場合。
關(guān)鍵詞： Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；AODV協(xié)議；穩(wěn)定性；仿真

    Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad Hoc Network)是一種具有高度動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)、節(jié)點任意移動的自組織網(wǎng)絡(luò)，其獨立于固定的基礎(chǔ)設(shè)施，采用分布式管理，特別適合于作戰(zhàn)指揮、搶險救災(zāi)以及執(zhí)行臨時任務(wù)等場合[1，2]。路由協(xié)議是移動節(jié)點相互通信的基礎(chǔ)，與固定網(wǎng)絡(luò)相比，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由問題要復(fù)雜得多。
    AODV（Ad Hoc on Demand Distance Vector)協(xié)議是一種典型的按需路由協(xié)議，是目前較為成熟、應(yīng)用廣泛的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。但是，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的每種協(xié)議都存在自身的不足，只適用于特定的場合。針對AODV協(xié)議僅以最短路徑、最快響應(yīng)作為路由選擇測度，未將節(jié)點耗能作為路由選擇因素的缺點，本文提出一種基于穩(wěn)定性的AODV優(yōu)化思想。
1 標準AODV路由協(xié)議
    AODV協(xié)議實質(zhì)上是動態(tài)源按需路由協(xié)議DSR(Dynamic Source Routing)和主動路由協(xié)議DSDV(Destination-Sequenced Distance-Vector)的綜合，它結(jié)合了按需路由發(fā)現(xiàn)和按需路由維護機制，以及逐跳路由、順序編號和路由維護階段的周期更新機制，根據(jù)數(shù)據(jù)分組的需要按需進行路由發(fā)現(xiàn)和建立傳輸路徑。對于所有不在源節(jié)點到目的節(jié)點路徑上的節(jié)點，既不參與路由信息的維護，也不參與路由表的交換，從而減少了總的廣播量。使用目的節(jié)點序列號來避免路由環(huán)路的發(fā)生以及確保路由的時效性。AODV協(xié)議較好地緩解了主動路由協(xié)議開銷較大和不易擴展的問題，是一個無環(huán)、自啟動、能適合于規(guī)模較大的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。
2 AODV路由協(xié)議的優(yōu)化
    AODV協(xié)議的每個源節(jié)點只維護一條到一個特定目的節(jié)點的路由，如果這條路由失效，將會重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，從而增大網(wǎng)絡(luò)的開銷[2]。將剩余能量最低的節(jié)點稱為“瓶頸節(jié)點”[3]。在不考慮因節(jié)點移動造成路由失效的情況下，路由生存時間則由瓶頸節(jié)點的剩余能量決定。在最短路徑的測度標準下，即使瓶頸節(jié)點的剩余能量很小，AODV也可能將其選中構(gòu)成最短路由，這將影響自組網(wǎng)的生存壽命。
    針對AODV協(xié)議存在的這些問題，目前研究人員已提出了不少基于多徑路由和基于能量高效的改進方案。但是，基于多徑路由的改進方案并未考慮節(jié)點能耗及網(wǎng)絡(luò)壽命問題。而基于能量高效的改進方案均只維護一條有效路由，當路由失效時需要重啟路由發(fā)現(xiàn)過程。本文提出一種使網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定的改進方法，將路徑能量信息（包括瓶頸節(jié)點剩余能量、路徑節(jié)點剩余能量平均值、跳數(shù)）附加到RREQ，當RREQ到達目的節(jié)點后，目的節(jié)點將提取路徑能量信息作為RREP的附加字段，并根據(jù)接收RREQ的順序按不同路徑回復(fù)兩個RREP。當RREQ到達與目的節(jié)點存在有效路由的中間節(jié)點后，只有最先接收到的中間節(jié)點才向源節(jié)點回復(fù)RREP。為計算整條路徑的節(jié)點能量信息，此時，該中間節(jié)點繼續(xù)沿著路由表中到達目的節(jié)點的路由向目的節(jié)點傳送RREQ包，最終由目的節(jié)點向源節(jié)點回復(fù)一個包含路徑能量信息的E-RREP應(yīng)答（并非路由應(yīng)答包）。因此，源節(jié)點至少可以收到兩個RREP。
 
3 基于NS2的路由協(xié)議仿真
3.1 網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境
    NS是一種可擴展、易配置和編程、離散時間驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)仿真工具[7]。本實驗中，將NS2（NS第2版）安裝于Ubuntu操作系統(tǒng)（一個Linux版本）下。設(shè)定如下仿真環(huán)境：節(jié)點個數(shù)為50，拓撲范圍為800 m×600 m，節(jié)點初始能量為20 J，通信覆蓋范圍為150 m，節(jié)點間最大連接數(shù)為10。數(shù)據(jù)源采用cbr流，每秒發(fā)送2個數(shù)據(jù)包，每包長度為512 B。節(jié)點到目的節(jié)點后的停留時間為3 s，節(jié)點最大移動速度為0 m/s、3 m/s、6 m/s、9 m/s、12 m/s、15 m/s、18 m/s，仿真時間為300 s。路徑選擇函數(shù)中取α=0.05，β=0.1。節(jié)點移動速度越大，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化越大。
3.2 性能評估指標
    本文從以下4個指標比較優(yōu)化前后的AODV協(xié)議性能：
    (1)分組投遞率：目的節(jié)點成功接收到的分組數(shù)與源節(jié)點發(fā)送的分組數(shù)之比。
    (2)端到端平均時延：通過累加所有目的節(jié)點收到數(shù)據(jù)分組的時間與源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)分組的時間差，再取平均值來統(tǒng)計。
    (3)路由開銷：所有路由控制報文總的字節(jié)數(shù)與所有報文的字節(jié)數(shù)之比。
    (4)網(wǎng)絡(luò)生存時間：從網(wǎng)絡(luò)開始運行到第一個節(jié)點耗盡能量的時間[8]，反映網(wǎng)絡(luò)能量消耗的公平性。
3.3 仿真流程及步驟
    本實驗是在現(xiàn)有標準AODV協(xié)議基礎(chǔ)上的研究，需對AODV源代碼進行預(yù)期修改，然后編寫Otcl腳本進行測試，直至編譯生成新的AODV協(xié)議。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)仿真的具體過程如下：
    (1)利用NS2自帶的工具生成傳輸模型文件，以及產(chǎn)生節(jié)點移動場景。
    (2)編寫Otcl腳本，完成網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)等參數(shù)及對象的配置。
    (3)執(zhí)行Otcl腳本文件，得到trace文件。
    (4)編寫gawk程序，從trace文件中分別提取出分組投遞率、平均端到端時延、路由開銷以及網(wǎng)絡(luò)生存時間有用數(shù)據(jù)。
    (5)調(diào)用gnuplot繪圖工具將處理后獲得的數(shù)據(jù)繪制成圖形，得出網(wǎng)絡(luò)的性能。
3.4 仿真結(jié)果分析
    將優(yōu)化后的協(xié)議稱為NEW-AODV。從圖1可看出，隨著節(jié)點最大移動速度的增大，鏈路斷開幾率變大，分組投遞率均下降，但是因NEW-AODV中加入了主、備用路由，且選擇路徑節(jié)點能量高效的為主路由，有效減少了路由發(fā)現(xiàn)與路由修復(fù)，減少了因節(jié)點能量耗盡導(dǎo)致的路由失效，NEW-AODV的分組投遞率優(yōu)于AODV。從圖2可知，隨著節(jié)點最大移動速度的增大，端到端平均時延總體呈現(xiàn)增大趨勢，由于NEW-AODV減少了路由發(fā)現(xiàn)及執(zhí)行本地修復(fù)過程，其時延要比AODV小些。從圖3可以看出，隨著節(jié)點最大移動速度的增大，由于路徑失效導(dǎo)致路由控制開銷增加。NEW-AODV協(xié)議在路由控制分組中加入了能量信息，一定程度上增加了路由開銷，然而NEW-AODV采用了備份路由，減少了路由發(fā)現(xiàn)過程，控制了路由開銷的大幅上升。路由開銷的略有增加帶來了網(wǎng)絡(luò)生存時間的較大提高，這在實際應(yīng)用中是十分可取的。從圖4中可知，隨著節(jié)點最大移動速度的增大，網(wǎng)絡(luò)生存時間均下降，但NEW-AODV協(xié)議中同時考慮了最短路徑和路徑節(jié)點能量，選擇路徑能量較優(yōu)的為主路由，從而有效提高了網(wǎng)絡(luò)生存時間。

    Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計是一個復(fù)雜問題。目前，不存在適應(yīng)于所有場合的萬能協(xié)議，每種協(xié)議都有各自的優(yōu)缺點。實踐中，只能根據(jù)具體環(huán)境需要選擇適合的路由協(xié)議。為減少路由發(fā)現(xiàn)，延長網(wǎng)絡(luò)壽命，本文提出一種同時考慮最快響應(yīng)、最短路徑及最小路徑節(jié)點能耗的AODV優(yōu)化方案。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的AODV協(xié)議相比原協(xié)議不僅改善了路由發(fā)現(xiàn)過程，也保護了能量低的節(jié)點，有效增強了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，更適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化較大的場合。
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